Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Fe-Ni-Mn基結(jié)合劑性能的影響

陶洪亮， 周浩鈞， 文 平， 李廣鋒

(廣東奔朗新材料股份有限公司， 廣東 佛山 528300)

燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石工具具有磨粒把持力強(qiáng)，結(jié)合強(qiáng)度高、耐磨性好、壽命長(zhǎng)、能承受較大的磨削壓力等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高性能硬脆材料的精密、超精密高效磨削領(lǐng)域。

金屬結(jié)合劑主要有鈷基、銅基、鐵基、鎳基、鎢基、鋁基結(jié)合劑等，其中，銅基、鈷基、鐵基結(jié)合劑適用范圍較廣，相關(guān)研究較多[1-2]。鈷基胎體結(jié)合劑的抗彎強(qiáng)度高，對(duì)碳材料和碳化物的潤(rùn)濕性和黏結(jié)性好，且鈷含量增加會(huì)增大胎體脆性，從而提高磨具的自銳性。但鈷是戰(zhàn)略資源，價(jià)格較高，因此替代鈷基結(jié)合劑的研究迫在眉睫[3-4]。目前，用鐵代替鈷的研究較多，二者屬于同族元素，性質(zhì)相近，并且鐵的價(jià)格相對(duì)低廉。但當(dāng)結(jié)合劑中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于40%時(shí)，結(jié)合劑體系對(duì)燒結(jié)溫度特別敏感，極易造成產(chǎn)品欠燒及金剛石表面過(guò)度侵蝕等現(xiàn)象[5]。

在本實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)在Fe-Ni-Mn基結(jié)合劑中添加金屬銅粉，降低其燒結(jié)溫度，改善結(jié)合劑的成形性，探究加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cu對(duì)Fe-Ni-Mn基結(jié)合劑力學(xué)性能的影響，并通過(guò)與純鈷粉結(jié)合劑在力學(xué)性能上的對(duì)比，探討Fe-Ni-Mn基結(jié)合劑替代純鈷粉結(jié)合劑的可能性。

1 實(shí)驗(yàn)原料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用的鐵基金屬結(jié)合劑原料為Fe-Ni-Mn和Cu，二者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比如表1所示。其中，F(xiàn)e-Ni-Mn合金粉通過(guò)電解-機(jī)械球磨法制備，含氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.8%以下；Cu粉是電解銅粉。實(shí)驗(yàn)所用的Co粉有2種牌號(hào)，分別記為A和B，粒度尺寸均小于50 μm。

表1 Fe-Ni-Mn與Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比

1.2 樣品燒結(jié)及表征

將上述金屬結(jié)合劑原料，通過(guò)熱壓燒結(jié)技術(shù)，將A、B鈷粉在分別在820、850、880、910 ℃下，保壓80 kN、保溫4 min，制成55 mm×10 mm×5 mm和30 mm×10 mm×5 mm 2種尺寸的試樣。經(jīng)前期實(shí)驗(yàn)探究，F(xiàn)e-Ni-Mn結(jié)合劑在850 ℃下，保壓80 kN，保溫4 min燒結(jié)時(shí)機(jī)械性能最佳，在此燒結(jié)條件下，將銅粉與Fe-Ni-Mn結(jié)合劑同樣制成上述2種尺寸的試樣，探究銅粉對(duì)Fe-Ni-Mn結(jié)合劑性能的影響。用ZBC型沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試樣的抗沖擊強(qiáng)度；用WDW-50型微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試樣的抗彎強(qiáng)度；用阿基米德排水法測(cè)量試樣的成形密度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)上述結(jié)合劑制備成的試樣進(jìn)行測(cè)試，分析燒結(jié)溫度和Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)試樣成型密度和力學(xué)性能的影響。

2.1 燒結(jié)溫度對(duì)A、B試樣成形密度的影響

圖1、圖2分別為燒結(jié)溫度對(duì)A、B試樣成形密度的影響。從圖1、圖2中可以看出：隨溫度升高，A、B試樣成形密度均先增大后減??；燒結(jié)溫度為850 ℃時(shí)，二者成形密度均達(dá)到最大值，均為8.75 g/cm3。

圖1 燒結(jié)溫度對(duì)A試樣成形密度的影響

圖2 燒結(jié)溫度對(duì)B試樣成形密度的影響

2.2 燒結(jié)溫度對(duì)A、B試樣力學(xué)性能的影響

圖3、圖4分別為燒結(jié)溫度對(duì)A、B試樣抗彎強(qiáng)度的影響。從圖3、圖4中可以看出：隨著燒結(jié)溫度的升高，二者的抗彎強(qiáng)度均得到提高，但從具體的數(shù)值來(lái)看，提高的幅度并不明顯。

圖3 燒結(jié)溫度對(duì)A試樣抗彎強(qiáng)度的影響

圖4 燒結(jié)溫度對(duì)B試樣抗彎強(qiáng)度的影響

圖5、圖6分別為燒結(jié)溫度對(duì)A、B試樣沖擊強(qiáng)度的影響。從圖5、圖6中可以看出：隨著燒結(jié)溫度的升高，其沖擊強(qiáng)度先增大后減小，在880 ℃時(shí)達(dá)最大值，分別是18.92 kJ/m2、17.32 kJ/m2。因此，A、B 2種鈷胎體的熱壓燒結(jié)溫度在850～880 ℃為宜。

圖5 燒結(jié)溫度對(duì)A試樣沖擊強(qiáng)度的影響

圖6 燒結(jié)溫度對(duì)A試樣沖擊強(qiáng)度的影響

2.3 Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Fe-Ni-Mn基結(jié)合劑試樣力學(xué)性能的影響

圖7和圖8分別為Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Fe-Ni-Mn基結(jié)合劑試樣沖擊強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的影響。

圖7 Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Fe-Ni-Mn基結(jié)合劑試樣沖擊強(qiáng)度的影響

圖8 Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Fe-Ni-Mn基結(jié)合劑試樣抗彎強(qiáng)度的影響

從圖7、圖8可以看出：隨著Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，F(xiàn)e-Ni-Mn基結(jié)合劑試樣的抗沖擊強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的總體趨勢(shì)；當(dāng)Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值，為9.73 kJ/m2；當(dāng)Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大值，為1 202.19 MPa。適量Cu的加入，可與Fe、Ni形成置換固溶體，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，使得Fe-Ni-Mn胎體的韌性迅速提高[6]。當(dāng)Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)20%，F(xiàn)e-Ni-Mn胎體試樣的沖擊強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度均出現(xiàn)小幅降低。

2.4 Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Fe-Ni-Mn基結(jié)合劑試樣成形密度的影響

圖9為Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Fe-Ni-Mn基結(jié)合劑試樣成形密度的影響。從圖9可以看出：隨著Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，結(jié)合劑的成形密度增大。這是因?yàn)閱钨|(zhì)Cu的密度較大，Cu加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，密度隨之增大。

圖9 Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Fe-Ni-Mn基結(jié)合劑試樣成形密度的影響

3 結(jié)論

(1)燒結(jié)溫度控制在850～880 ℃范圍時(shí)，A、B 2種牌號(hào)純鈷粉結(jié)合劑成形密度最大，為8.75 g/cm3，沖擊強(qiáng)度的最大值分別為18.92 kJ/m2和17.32 kJ/m2。

(2)當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～20%時(shí)，F(xiàn)e-Ni-Mn基結(jié)合劑具有較好的力學(xué)性能(抗彎強(qiáng)度最大可達(dá)1 202.19 MPa，沖擊強(qiáng)度最大可達(dá)9.73 kJ/m2)；在相同燒結(jié)條件下，此結(jié)合劑抗彎強(qiáng)度可達(dá)到純鈷結(jié)合劑的75%，沖擊強(qiáng)度可達(dá)到純鈷結(jié)合劑的65.7%。